【研究分野】生産工学・加工学

【研究領域課題番号】16560090 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超精密加工 / 表面微細形状 / マルチスケール / 顕微鏡 / ウェーブレット / 多重解像度解析 / 分解能向上 / 超精密加工表面 / 微細形状

【研究成果の概要】

本研究では、先端加工プロセスによって形成されるシングルnmオーダの超精密加工表面微細形状において顕著になる表面形状のマルチスケール特性を多重解像度解析手法に基づいて測定・評価することを目的としている。
まず、高さ分解能が高い走査型白色干渉顕微鏡を用いて、HDの下地加工表面を測定対象として測定実験を行い、表面構造解析を行った。
測定された表面微細形状のフーリエ解析に基づくFRACTAL解析では、Ra値が約8nmから3nmに移るにつれ、名目次元が定義域を越える現象が現れた。すなわち、自己類似的性質から、より白色化の方向へ表面構造が変化していることになる。したがって、表面形状特徴の局在性も含めて解析できるウェーブレット解析により、このようなシングルnm表面のより詳細な表面構造解析を行った。より広い波長範囲において特徴をとらえるため、複数の光学倍率による測定・解析結果を連結し、ウェーブレットにおけるスケールと振幅との関係等を、連続ウェーブレット変換と、離散ウェーブレット変換に基づく多重解像度解析により行った。
その結果、ウェーブレット解析においても、Ra値が約8nmから3nmに移るにつれ、そのスペクトルの傾きは緩やかに変化し、フーリエ解析における結果と同様の傾向を示した。ウェーブレットによる空間周波数解析結果は、Ra値が小さくなっても、本実験の範囲ではスペクトル分布に指数法則が見られ、数学モデルの成立が期待される。
一方、1nmより微細な形状においては、量子化の影響が現れることが予想される。本研究成果は、量子化表面への遷移過程にある表面の評価に有効であることが期待され、本研究の結果新たに明らかになった課題への取り組みが急務であると考えられる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2004 - 2005

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)

【研究分野】機械工作・生産工学

【研究領域課題番号】14550096 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超精密加工 / 微細形状 / 表面微細形状 / 測定 / マルチスケール / フラクタル / スペクトル / 白色干渉顕微鏡 / 金型 / 顕微鏡 / 分解能

【研究成果の概要】

本研究では、先端加工プロセスによって形成されるサブナノメートルオーダの表面微細形状において顕著になる表面形状のマルチスケール特性の変化を測定・評価することを目的としている。
HD表面や磁気ディスクヘッドなどの超精密加工表面を対象に、その表面微細形状の波長-振幅特性が1/fから徐々にそれ、白色に近づくことを、マルチスケール特性の変化として実験的に測定・評価し、これら表面の機能解析や、超精密加工表面の基本的構造解析に寄与することを意図している。
実際に、HD基板表面の超平滑面を走査型白色干渉顕微鏡で測定し、そのデータのフラクタル解析から、超平滑面の表面構造の変化を明らかにした。
サブナノメートルオーダのRa値を有するような領域にいたる超精密加工表面における表面形状成分の特性解明において、超精密加工表面を信頼性高く測定する手段として、走査型白色干渉顕微鏡による表面形状測定を、広範囲のスペクトルにわたって行うため、測定視野を変えた複数の測定条件で表面形状データを取得し、そのパワースペクトル密度分布を解析することにより、超精密加工表面の表面構造の特徴を解析した。
その結果、サブナノメートルRa値を有する表面において、そのパワースペクトル密度分布の傾斜は、Ra値の減少に伴い徐々に緩やかなものとなり、Fractal解析においては、その次元が計算上2を越えるような領域のものまで出現した。これは、Fractal領域を超えて、白色領域に近づく傾向を示すものとして注目に値する結果である。
本研究の結果から、振幅が2〜3nm(PV値)の加工表面は、一般の機械加工表面に比べ、かなりスペクトル分布が白色化することが確認できた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2002 - 2003

【配分額】3,400千円 (直接経費: 3,400千円)

【研究分野】設計工学・機械要素・トライボロジー

【研究領域課題番号】10450063 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

形状測定 / マルチスケール / 画像計測 / 干渉計測 / スティッチング / 表面粗さ / 頂点 / 顕微鏡 / 平面度

【研究成果の概要】

本研究では、機能面の形状情報をマルチスケールに計測し、要求に応じて任意の波長成分の情報を算出する形式の提案と、そのための形状測定システムを高分解能の高精度画像読取り形式の測定ユニットとそのスキャニングによるワイドレンジ測定システムとして開発した。
すなわち、機器開発に関しては高周波領域のデータを高精度・高分解能で高速測定する装置を、特に高速測定の点から画像読取り方式の顕微鏡を活用し、個々の画像視野内の形状情報を画素単位の高さ情報とし得る方式とした。これを機能面全体の測定領域内でスキャンさせることにより、複数の画像情報を収集し、それぞれ隣接する画像のオーバラップ領域の測定値を用いて画像間の相対的位置ずれを算出し、個々の画像情報を接続して一つの全体画像情報を得る手続きをアルゴリズムとして開発した。
ここで問題となるオーバラップ領域と接続精度との関係を、実験的に数種類の形状特徴を測定して求め、接続精度の低下しない範囲で最も効率的なオーバラップ領域の大きさを決定した。この結果、現行のマイクロコンピュータクラスの計算機資源の制約下で、20×20画像の接続が高精度に行えることを確認し、原理的には接続枚数に制限のない方式が提案できた。
次に、マルチスケールデータによる新たな可能性を示す目的で、表面の微細形状がトランケートされる過程の形状を、機能面全域で測定し、その形状比較(形状の差分)から、従来測定が困難であった極微細領域の形状変化をマクロにとらえることが出来た。また、形状のマルチスケール性を局所頂点の探索によって示すことができ、さらにマルチスケールデータの階層的ファイル保存形式を新たに提案し、その有効性も示すことが出来た。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)

【研究分野】機械工作・生産工学

【研究領域課題番号】09305013 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

形状測定 / マルチスケール / 画像計測 / 干渉計測 / スティッチング / 表面粗さ / 平面度 / 顕微鏡

【研究成果の概要】

本研究では、機能面の形状情報をマルチスケール的考え方で統一して記録・保存し、要求に応じて任意のスケールで再生できる形式の提案と、そのための形状測定システムを高分解能の高精度画像読取り形式の測定ユニットとそのスキャニングによるワイドレンジ測定システムとして開発することを行なう。すなわち、機器開発に関しては高周波領域のデータを高精度・高分解能で高速測定する装置を、特に高速測定の点から画像読取り方式の測定顕微鏡で実現させ、これを機能面全体の測定領域でスキャンさせることにより、ワイドダイナミックレンジの測定を実現させる。ここで問題となるのは、スキャンさせた各領域のデータの接続と保存法である。接続法については機器の精度および相関技術によって行なう方法を実現した。一方、保存法については、高密度データの圧縮と、マルチスケールなデータの取り扱いを考慮して、新方式を検討した。その考え方は、人間の感性や認識特性に合致したものであり、現在主流のJPEGやMPEGの画像圧縮法よりさらに進んだFlashPixフォーマットに類似したものである。
2年間の本研究の結果、マルチスケールな測定を開発したシステムにより実現できたこと、スティッチングによるつなぎ合せは有効であり実際にワイドレンジな測定が行なえたこと、これを応用したトランケーション摩耗の全体積を高精度に測定するなど本研究の目的が実際の機能評価において確認できたことなどが成果として挙げられる。
一方、本研究の結果明らかになった今後の課題として、非平面形体においても本研究のマルチスケール測定を実現できることが望まれること、取得データの圧縮・保存・展開等に大きな容量を要することから、マルチスケール測定データを含む三次元表面データのファイルフォーマットの柔軟性を備えた体系化が望まれることなどが挙げられる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1997 - 1998

【配分額】39,500千円 (直接経費: 39,500千円)